L'interno della chiesa si presenta armonico nonostante i diversi interventi e i diversi stili succedutisi nei secoli. Ad aula unica, ha sei profonde cappelle per ciascun lato sul modello di San Salvatore al Monte, ed è intonacato di bianco con eleganti fregi architettonici in pietra serena in stile brunelleschiano. La navata è quattrocentesca, il presbiterio è seicentesco, mentre il soffitto e la seconda cappella a destra risalgono al Settecento.

Sui fianchi si aprono sei arcate in pietra serena che corrispondono ad altrettante cappelle laterali; sui capitelli si possono ancora leggere alcuni stemmi di famiglie gentilizie che avevano il patronato della cappella. Ciascuna cappella presenta una volta a vela e una vetrata, tra le quali è particolarmente pregevole quella di San Lorenzo nella terza cappella a sinistra.

Oltre le cappelle la fascia superiore della navata presenta affreschi a monocromo intervallati da dieci tele realizzate a partire dell'anno della canonizzazione di Santa Maria Maddalena dei Pazzi (1669-1670) con scene della sua vita; furono dipinte dall'estroso Cosimo Ulivelli e da altri pittori fiorentini. Il soffitto conserva il maestoso affresco della Glorificazione della santa opera sempre del 1699 di Jacopo Chiavistelli aiutato da Angiolo Gori.

La Cappella Maggiore è uno dei capisaldi del barocco in ambito religioso a Firenze. Fu edificata a partire dal 1677 fino al 1685, per ospitare le reliquie della santa. Questa sorta di "cappella spettacolo", nella quale, come in una messa in scena, si combinano marmi policromi, bronzi, dorature, statue, affreschi e tele dipinte, è emblematica della sensibilità religiosa al tempo del granducato di Cosimo III de' Medici, non a caso promotore dell'impresa.

Il progetto fu curato dal romano Ciro Ferri, allievo di Pietro da Cortona, e fu portato a compimento da Pier Francesco Silvani. La cupola presenta un affresco di un cielo illusionistico dove appare raffigurata l'Ascesa di santa Maria Maddalena de' Pazzi con tutti i santi fiorentini, opera di Pier Dandini del 1701.

Tra le preziose colonne in marmi rossi e gialli furono inserite la pala centrale di Ciro Ferri stesso (Vergine e santa Maria Maddalena dei Pazzi, 1684) e le due pale laterali di Luca Giordano (Gesù e santa Maria Maddalena dei Pazzi e la Vergine presenta il Bambino a santa Maria Maddalena dei Pazzi, 1685). Le quattro sculture allegoriche in marmo di Carrara nelle nicchie vicine agli angoli sono a sinistra di Antonio Montauti (Innocenza, 1723, e Religione, 1738, terminata da Gaetano Masoni) e a destra di Innocenzo Spinazzi (Fede e Penitenza, 1781). I putti di marmo della fascia inferiore sono di Carlo Marcellini e i tondi e ovali bassorilievi bronzei con storie della santa di Massimiliano Soldani Benzi.